도시기후 ()
• 본 항목의 내용은 해당 분야 전문가의 추천을 통해 선정된 집필자의 학술적 견해로 한국학중앙연구원의 공식입장과 다를 수 있습니다.
내용 요약
정의
인구밀도가 높아지는 도시화에 의해 토지 이용이 고층 콘크리트 건물, 아스팔트 도로 등의 피복체로 바뀌면서 주변 비도시 지역 기후와 차별되어 나타나는 지역 기후 특징.
도시 팽창과 환경 변화
도시는 점차 인구 유입이 늘어나면서 도시 팽창[urban sprawl]이 일어나고, 그 과정에서 녹지는 파괴되고 콘크리트 아스팔트 등의 피복체가 증가하게 된다. 이에 따라 주변 농촌 지역과 견주어 기온, 강수, 바람, 습도 등 기후요소 분포에서 차이가 나게 된다. 녹지에 비해 도심의 콘크리트, 아스팔트 등의 피복체는 입사하는 복사에너지를 잘 흡수한다. 반면 강수 현상이 발생할 때 일반 토양으로 된 나지(裸地)에 비해 수분을 흡수하지 못하는 불투수층이어서 지하수로 이동을 막고 지표수의 형태로 저지대로 물이 모이게 된다.
또한 도시화[urbanization]가 진행될수록 지가 상승에 따라 도심의 건물들은 고층화가 이루져 바람의 이동을 저해 받게 된다. 또한 도심 내부에 인구집중 현상이 일어나 오늘날의 주 에너지원인 화석연료 사용이 늘어나 대기오염물질, 특히 온실기체 배출량이 증가하게 된다. 또한 화석연료 연소에 의해 대기 중의 먼지 등 고체 부유 물질이 증가함에 따라 특정 지역에서는 안개나 강수 현상이 더 강하게 나타나기도 한다. 이와 같은 도시 피복의 변화에 의해 도시의 에너지수지, 수분수지, 대기질 등에 변화가 나타나게 된다.
도시기후 현상과 연구
도시기후[urban climate]에 관한 학술 연구로는, 대표적으로 영국 런던의 도시열섬[urban heat island]현상을 처음으로 보고한 루크 하워드(Luke Howard)[1772~1864]의 『The Climate of London[런던의 기후]』(1883)이다. 하워드는 도시와 주변 농촌 지역의 기온 차이를 도시열섬을 통해 확인하였고, 이러한 차이는 도시 외곽에서 중심부로 갈수록 커진다고 가정하였다. 또한 이러한 도심열섬은 겨울철 야간에 가장 크게 나타난다고 보았다. 그는 이러한 원인을 첫째, 인간에 의한 겨울철 열적 요인, 둘째, 복사를 강제하고 대기로 자유로운 복사를 방해하는 도시 피복체, 셋째, 여름철 바람 통로를 막는 도심 거칠기 효과, 넷째, 농촌에서 증발의 결핍 등을 들었다. 즉, 도심열섬과 구름, 도심열섬과 바람과의 관련성은 분석하지 못하였지만, 오늘날 알려진 도시 피복체의 열적 속성을 제외한 모든 도시열섬 형성 원인을 언급하였다.
하워드 이후 도시기후에 관한 연구들은 1940년대에 온도계를 이용한 도시 효과 관측과 기술, 1960년대에 에너지수지에 관한 가설 검증을 위한 통계 기법 사용, 1970년대 컴퓨터 모델링 기술 응용, 에너지 플럭스 관측, 도시 표면의 정의, 도시 규모-도시 효과 관측, 1980년대 모델링과 측정을 위한 일반적인 모델 선택, 1990년대 도시 형태-도시 효과 간 관련성, 연구팀에 의해 수행된 도시기후 연구 프로젝트, 2000년대 도시 기하학 요소가 포함된 향상된 모델, 모델링-관측 프로그램 간의 연계성 증가 등의 발전을 거듭해 왔다.
특히, 1990년대 이후에는 도시기후 연구 분야가 도시열섬에만 국한되지 않고 도시 규모, 기하학적 요소, 구성 물질, 도시 기능 등을 대상으로 포함하였고, 심지어 서로 다른 기후 지역의 서로 다른 유형의 도시기후에 대한 정보들이 새롭게 보고되기 시작하였다. 특히 3차원적 도시 대기층과 도시 표면 간의 상호 관련성에 대한 이해의 폭을 넓히는 연구들이 진행되기 시작하였다. 이 시기의 대표적인 도시기후학자로는 팀 오크(Tim Oke)를 들 수 있다. 그가 저술한 대표적인 저서로는 『Boundary Layer Climates[경계층 기후]』[1987]와 『Urban Climates[도시기후]』[2017]를 들 수 있다.
우리나라에서도 이현영[1985]에 의해 처음으로 도시열섬 분포도가 그려졌는데, 서울의 약 110개 초등학교 노장에서 학생들이 동시에 현장 관측한 자료를 종합하여 그린 것이다. 이 관측 자료에 따르면 도시열섬의 강도는 여름철에 약 23℃, 겨울철에 34℃이며, 2년 동안[1982년 8월~1984년 8월] 관측한 기록 중 서울의 도시열섬 강도는 최대 약 9.6℃였고, 열섬의 핵은 종로구 일대에서 나타났다.
김 앤드 백(Kim and Baik)[2002]은 서울과 주변 양평의 관측 지점 차이를 바탕으로 서울의 최대 도시열섬 강도가 봄철에 3℃ 내외, 여름철에 3℃, 가을철과 겨울철에 4℃ 내외임을 제시하였다. 일부 후속 연구들에서 제시된 덕수궁, 창경궁, 창덕궁 등 도심 내 궁궐 안의 녹지 식생의 증발산 작용에 의한 도시열섬 완화 효과는 궁궐 둘레의 높은 담으로 인해 제한적일 것으로 판단되었다.
도시 강수 분포와 관련하여 도시와 그 주변 지역의 대류 현상이 강수에 미치는 영향도 조사되었다. 대표적인 연구 결과로 도시열섬현상으로 대류의 강도는 강해지고, 대기 중 에어로졸(aerosols) 증가에 의해 도심의 대류성 강수 현상이 증가한다는 것이 밝혀졌다. 특히, 강수의 응결핵[hygroscopic nuclei] 이동과 관련하여 바람받이 지역보다 바람의지 지역에서 강수 현상이 더욱 강하게 나타난다는 연구 결과들이 보고되었다. 최근에는 도심의 온난화가 더 빠르게 이루어지면서 도시 지역에서 겨울철 강설 현상이 줄어들고 있다.
또한 도시 피복과 관련하여 불수투층으로 바뀌어 이러한 대류성 호우 현상 발생 시 저지대를 중심으로 도시 돌발홍수[urban flash flooding]가 발생하여 큰 피해를 입을 수 있음이 여러 사례에서 확인되고 있다. 도시 습도 분포와 관련하여 도시 피복은 강수 발생 시 지표수 형태로 빠르게 이동하고 불투수층의 영향으로 지표의 수분량은 많지 않다. 따라서 도심 지역은 식생 피복이 넓게 자리 잡은 주변 농촌 지역에 비해 대기 중 수증기량이 많지 않다. 도심 내부의 공기는 건조하기 때문에 여름철 기온 상승은 주변 녹지가 많은 농촌 지역에 비해 더 빠르게 나타난다.
이외에도 도시의 빗물 성분을 분석한 산성비와 도시의 오염물질이 수증기와 결합해 형성되는 스모그(smog) 현상에 관한 연구 결과들이 보고되었다. 1952년 12월 런던에서는 초겨울 한파로 인해 난방용 석탄 사용량이 급격히 증가하였고, 도심 분지 내부에 기온 역전층이 형성되면서 대기가 안정화되었다. 이로 인해 배출된 연기가 대기 중 수증기와 결합하여 독성 안개를 수일간 형성했고, 그 결과 약 4,000명 이상의 사상자가 발생하였다. 또한 1943년 미국 로스앤젤레스에서는 광화학 스모그가 발생하여 황갈색을 띠는 오존[O₃]이 대량으로 생성되면서 많은 사람들이 건강 피해를 입었다.
도시기후 대응과 개선 방안
도심 지역에서는 빽빽한 고층 건물이 장애물로 작용하여 주변 농촌 지역에 비해 풍속이 약해진다. 이로 인해 여름철 열섬현상이 강하게 나타나거나, 대기오염이 정체되어 해소되는 속도가 느려지는 문제가 발생한다. 이를 개선하기 위해 최근에는 도시 바람길 설계 및 활용에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 한편, 건물 사이로 바람이 집중되는 빌딩풍 현상과 이로 인한 피해 사례도 일부 지역에서 보고되고 있다.
최근에는 도시 열파, 도시홍수 등 도시 극한기후 현상이 지구온난화에 의해 어떻게 변해가고 있는지에 대한 연구들도 이루어지기 시작하였다. 특히, 도시는 지구온난화의 주원인인 화석연료 연소에 따른 온실기체 배출이 집중적으로 이루어지는 곳이기 때문에 이러한 도시의 온실기체 배출이 전 지구 온난화에 어떤 영향을 끼칠지에 대한 연구들이 이루어지고 있다.
또한 이를 완화하기 위한 다양한 방법에 대한 연구도 이루어지고 있는데, 도시 옥상녹화 운동을 사례로 들 수 있다. 지구온난화의 영향으로 도시의 기온, 강수의 변화, 해수면 상승에 의한 도시 침수, 강해지는 폭풍에 의한 도시홍수 증가, 대규모 열파에 의한 도심 지역의 인명 피해 등에 관한 연구들도 이루어지고 있다. 특히 최광용[2020]이 제시하였듯이 우리나라 아열대 도시 지역에서는 향후 지구온난화에 의해 여름철 도시열섬 강도가 더욱 강해질 것으로 전망되므로 도시 냉섬[urban cool islands] 요소[예를 들어, 도시녹지 공원, 도심하천]의 경제학적 가치에 대한 재평가가 필요하다.
참고문헌
단행본
Oke, T. R., Mills, G., Christen, A. and Voogt, J. A., Urban Climates (Cambridge: Cambridge University Press, 2017)
Howard, L., The Climate of London (originally, 1883; IAUC edition, 2007)
Oke, T. R., Boundary Layer Climates, 2nd edition(Routledge, 1987)
논문
최광용, ｢제주도 아열대 도심 지역의 여름철 열환경 시공간적 패턴｣(『기후연구』 15-1, 건국대학교 기후연구소, 2020)
이현영, ｢서울의 도시 기온에 관한 연구｣(이화여자대학교 박사 학위 논문, 1985)
Kim, Y. H. and J. J. Baik, “Maximum Urban Heat Island Intensity in Seoul”(Journal of Applied Meteorology and Climatology 41, 2002)
